一種新型農(nóng)業(yè)大棚及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　摘要]從經(jīng)濟(jì)環(huán)保的角度出發(fā)，通過對農(nóng)業(yè)大棚作物的傳統(tǒng)灌溉方式的改進(jìn)，在大棚內(nèi)，農(nóng)作物的上方安裝根據(jù)大棚內(nèi)溫度、土壤濕度由電路系統(tǒng)調(diào)控噴灑模式的創(chuàng)新型灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)首先進(jìn)行噴灌，水呈霧狀均勻噴灑到農(nóng)作物上；系統(tǒng)能靈敏檢測到土壤RH的變化，當(dāng)土壤濕度達(dá)到一定RH值時(shí)，利用MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)地切換到滴灌模式，對農(nóng)作物進(jìn)行緩慢灌溉，最終土壤達(dá)到系統(tǒng)預(yù)定的RH值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止灌溉。采用的單排噴灑裝置可在吊頂導(dǎo)軌上直線行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對直排式作物的均勻灌溉。

　　[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新型灌溉系統(tǒng)；MCS-51單片機(jī)；溫度；RH

　　1設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

　　利用機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子器件構(gòu)思出系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，起初，可以提建立三種設(shè)想：一是參照以色列沙漠種植的成功案例，在大棚中嵌入控制系統(tǒng)（可以利用單片機(jī)），即每一棵植株受控于一個(gè)單獨(dú)的控制單元，該控制單元可根據(jù)對溫度、濕度的監(jiān)測獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對噴灑系統(tǒng)的調(diào)控（可利用溫敏、濕敏電阻元件），這種設(shè)想可以最大限度發(fā)揮控制系統(tǒng)的作用，并預(yù)期在節(jié)水方面達(dá)到最佳效果；二是采用密布式吊頂結(jié)構(gòu)，對作物群進(jìn)行統(tǒng)一噴灑，噴灑裝置不是獨(dú)立單元，而是呈陣列分布，固定于吊頂之上，對溫度、濕度的監(jiān)測系統(tǒng)不是服務(wù)于單獨(dú)的植株，而是對作物群進(jìn)行整體監(jiān)測，噴灑陣列根據(jù)此統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)適時(shí)轉(zhuǎn)換噴灑模式，該設(shè)想可將電路系統(tǒng)最大限度的簡化三是采用單排傳動(dòng)式噴灑系統(tǒng)，即將噴灑裝置安裝成一列，并利用傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單排行進(jìn)，在行進(jìn)過程中完成噴灑，并根據(jù)檢測系統(tǒng)對溫度、濕度的監(jiān)測完成噴灑模式的轉(zhuǎn)換。對比三種設(shè)想，第一種方案雖然有良好的節(jié)水效果，但存在兩個(gè)難點(diǎn)，一是難以實(shí)現(xiàn)將植株按照既定的單元種植，二是獨(dú)立控制的電路系統(tǒng)較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，此外該方案成本極高；第二種方案雖然布線簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但需要大量的噴灑裝置，增大了輸水管道布局的復(fù)雜性，水壓難以控制，達(dá)不到節(jié)水效果；第三種方案是對前兩種方案的折中，雖然外加了傳動(dòng)裝置和單獨(dú)控制傳動(dòng)的電路系統(tǒng)，但整體結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)，并且這種噴灑方式可以達(dá)到節(jié)水效果。綜上，選擇第三種方案即單排傳動(dòng)式噴灑系統(tǒng)。

　　2設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)

　　在該階段，可以就單排傳動(dòng)系統(tǒng)的行進(jìn)導(dǎo)軌形狀和傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)出不同方案。

　　2.1導(dǎo)軌形狀

　　一是服務(wù)于現(xiàn)有通用的大棚結(jié)構(gòu)，即吊頂導(dǎo)軌呈中央凸起的圓弧狀，單排噴灑裝置在此圓弧形導(dǎo)軌上行進(jìn)并完成噴灑。二是導(dǎo)軌呈直線斜向上，線端點(diǎn)為大棚圓弧頂點(diǎn)以及下部切點(diǎn)。三是直導(dǎo)軌平傳動(dòng)，直線端點(diǎn)為大棚圓弧的兩個(gè)下切點(diǎn)。出于降低設(shè)計(jì)難度的考慮，我們選擇了第三種方案，即直導(dǎo)軌平傳動(dòng)。

　　2.2傳動(dòng)方式

　　采用帶傳動(dòng)，將單排噴灑裝置固定于傳送帶上實(shí)現(xiàn)行進(jìn)；采用螺旋傳動(dòng)（利用絲杠實(shí)現(xiàn)）；采用滑輪懸線牽引行進(jìn)。出于提高傳動(dòng)穩(wěn)定性的考慮我們選取了第二種方案，即利用絲杠傳動(dòng)。

　　3實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度的監(jiān)控

　　在單片機(jī)電路系統(tǒng)中嵌入溫敏電阻元件和濕敏電阻元件（也可用溫度、濕度傳感器代替），電路連接方式如圖3。

　　4設(shè)計(jì)特色

　　充分考慮了我西北地區(qū)水資源短缺的問題，利用簡單機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電子系統(tǒng)相配合的方式實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)械傳動(dòng)，自動(dòng)控制噴灑，最大限度實(shí)現(xiàn)對水資源的合理利用，通過改變單片機(jī)設(shè)置不同參數(shù)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)不僅適用于單一作物大棚，還可適用于對多種不同習(xí)性（指對溫度、濕度要求不同）的作物實(shí)現(xiàn)合理噴灑灌溉。

　　5推廣及其應(yīng)用情況

　　目前本系統(tǒng)尚處于模型制作和實(shí)驗(yàn)階段，如后期可以推廣向市場，則可以考慮用成本更低的材料代替目前模型所用的材料，如在電路系統(tǒng)中嵌入采用更清潔的能源如太陽能電池為系統(tǒng)提供動(dòng)力，還可利用太陽能為輸水管道加熱，以滿足作物生長對水溫的要求。另外，可以更大限度利用單片機(jī)的功能，開發(fā)出更多的模式（設(shè)置不同的既定溫度值和濕度值）以滿足更多品種作物生長的要求，以使該系統(tǒng)具有更強(qiáng)的市場競爭力。

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